CN117471216A - 一种低温器件的噪声温度与增益的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温器件的噪声温度与增益的测量装置及方法,涉及噪声温度测量技术领域。其中,该装置包括第一衰减器、待测射频器件、噪声源、输入射频电缆、输出射频电缆、预设射频电缆以及分析装置,第一衰减器,通过输入射频电缆与噪声源连接,以及与待测射频器件的输入端连接;分析装置,通过预设射频电缆及输出射频电缆与待测射频器件连接,以及通过电源控制线与噪声源连接。本申请可以减小处于第二预设温度的环境下的测量仪器对处于第一预设温度的环境下的待测射频器件测量的影响,实现常温仪器对低温器件的性能测量。
Description
技术领域
本发明涉及噪声温度测量技术领域,尤其涉及一种低温器件的噪声温度与增益的测量装置及方法。
背景技术
噪声温度表示噪声源(热源﹑噪声管﹑射电源﹑接收机系统或其他有源多端网络)所发出的噪声功率的量度,等于一个电阻在与这个噪声源相同的带宽内﹐给出相同的功率时所具有的绝对温度。在常温系统中,测量射频器件的噪声温度的方式包括校准与测量两个步骤,具体可以参考以下两件专利。
如公开号为CN115754500A的中国专利公开了一种扩展噪声系数测量范围的方法,属于噪声系数测量技术领域;采用噪声源、噪声系数测试仪和低噪声放大器,扩展了噪声系数测量范围,实现对噪声系数大于30dB被测件的精确测量;该发明结合国内大噪声系数测量技术的需求背景提出,解决了大噪声系数测量方面的技术瓶颈,满足功率放大器和自动测试系统等测试场景中大噪声系数指标精确测量需求,将大幅拓展Y因子法噪声系数测试仪的应用范围。又如公开号为CN115754501A的中国专利公开了一种低频段高分辨率噪声系数测量装置,其包括:脉冲发生模块,用于在处理模块的控制下产生高压脉冲信号,使外部噪声源处于高温或常温状态;开关切换模块,用于在处理模块的控制下,选择外部噪声源输出或外部噪声源与被测件的级联输出连接至处理模块;处理模块,用于以大于或等于20MHz的采样率进行数字采样,然后使用快速扫频与信道化技术,实现宽频带范围内的高频率分辨率噪声功率谱实时计算,进而完成高频率分辨率噪声系数与接收增益的实时计算。该发明能实现对被测件1KHz~10MHz频段范围内的噪声系数与接收增益的实时测量。
然而以上两件专利,解决的是噪声系数测试动态范围、低频段噪声系数测量等问题,其均属于常温条件下的器件噪声系数测量,无法应用于低温器件噪声系数测量。
发明内容
本发明目的在于提供一种低温器件的噪声温度与增益的测量装置及方法,以解决上述技术问题。
根据本申请实施例的一个方面,本申请提供了一种低温器件的噪声温度与增益的测量装置,包括第一衰减器、待测射频器件、噪声源、输入射频电缆、输出射频电缆、预设射频电缆以及分析装置,上述第一衰减器,通过上述输入射频电缆与上述噪声源连接,以及与上述待测射频器件的输入端连接,其中,上述输入射频电缆的长度大于预设长度;分析装置,通过上述预设射频电缆及上述输出射频电缆与上述待测射频器件连接,以及通过电源控制线与上述噪声源连接;其中,上述待测射频器件及上述第一衰减器均处于第一预设温度的环境下,,上述分析装置、上述预设射频电缆以及上述电源及控制线均处于第二预设温度的环境下,上述输入射频电缆以及上述输出射频电缆均处于上述第一预设温度与上述第二预设温度之间的过渡温度的环境下,上述第一预设温度低于上述第二预设温度。
根据本申请实施例的另一方面,本申请提供了一种低温器件的噪声温度与增益的测量装置,包括:测量第一预设温度的环境下的待测射频器件以及第二预设温度的环境下的分析装置共同的第一噪声温度,其中,上述第一预设温度低于上述第二预设温度,上述分析装置通过预设射频电缆及输出射频电缆与上述待测射频器件连接,上述第一噪声温度为上述待测射频器件、上述输出射频线缆以及上述分析装置共同的等效噪声温度;基于上述第一噪声温度确定第一预设温度的环境下的待测射频器件的第二噪声温度,其中,上述第二噪声温度为上述待测射频器件实际上的等效噪声温度;基于确定第一预设温度的环境下的上述待测射频器件的增益值。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
1、本发明提供的低温器件的噪声温度与增益的测量装置及方法可以减小处于第二预设温度的环境下的测量仪器对处于第一预设温度的环境下的待测射频器件测量的影响,实现常温仪器对低温器件的性能测量。
2、本发明提供的低温器件的噪声温度与增益的测量装置及方法可以基于低温待测射频器件噪声温度与增益的算法,解决低温器件噪声温度计算与修正问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为根据本申请实施例的一种可选的低温器件的噪声温度与增益的测量装置的结构图;
图2为根据本申请实施例的另一种可选的低温器件的噪声温度与增益的测量装置的结构图;
图3为根据本申请实施例的一种可选的低温器件的噪声温度与增益的测量方法的流程图;
图4为根据本申请实施例的一种可选的用于校正的噪声温度的传递框图;
图5为根据本申请实施例的一种可选的测量得到的噪声温度和增益结果的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。需要说明的是,本发明已经处于实际研发使用阶段。
首先,在对本申请实施例进行描述的过程中出现的部分名词或者术语适用于如下解释:
噪声温度:表示噪声源(热源﹑噪声管﹑射电源﹑接收机系统或其他有源多端网络)所发出的噪声功率的量度,等于一个电阻在与这个噪声源相同的带宽内﹐给出相同的功率时所具有的绝对温度。
噪声的测量在输出端,从输入端看噪声功率,即为等效噪声功率(等效噪声温度),如图1所示。待测器件DUT(DeviceUnderTest),比如放大器,DUT的输入接50Ω电阻,输出接一个噪声测量接收机(NoiseMeasuringReceiver)。在DUT输出端得到的噪声包括两部分:一个是由50Ω在290K温度下产生的热噪声;另一个是由DUT产生。但是接收机并不能分辨噪声是由谁产生。在这种情况下,假定DUT无噪,所有的噪声都来自于DUT的输入端;为了产生相同的噪声输出,50Ω电阻所处的温度就必须更高(290+Te),高出的温度部分就是DUT的等效噪声温度。
在一些方案中,在常温系统中,通常采用Y因子法测量DUT噪声温度,可以通过校准(Calibration)和测量(Measurement)两步,实现DUT噪声温度测量。
1、校准:
噪声系数分析仪也会产生噪声,校准的目的是为了测量仪器自身的噪声系数或者噪声温度。将噪声源的输出直接接至噪声系数分析仪,仪器会测量噪声源在ON和OFF状态下的底噪。记为:计算得到Y因子:
其中,为噪声源在ON状态下的噪声温度,/>为噪声源在OFF状态下的噪声温度
超噪比ENR(Excess Noise Ratio)是噪声源最重要的一项指标,由噪声源直接给出;
计算得到测量仪器自身的噪声温度T2:
2、测量:
将DUT接入噪声源和仪器之间,测量噪声源在ON和OFF状态下的底噪,记为: 计算得到Y因子:
计算得到"DUT+仪器"的噪声温度T12:
计算得到DUT的增益G1:
最后,计算得到DUT的等效噪声温度T1:
可以理解,以上方案至少存在以下缺陷:
1)低温低噪放(Cryogenic Low Noise Amplifier,CLNA)在低温环境中工作,噪声系数(噪声温度)远低于常温低噪放和常温测量仪器,传统Y因子法只适用于测量仪器、射频电缆和被测器件同在常温环境中的噪声系数(噪声温度)测量,无法实现常温仪器对低温器件的测量;
2)在常温环境中工作的测量仪器,跨温区测量低温器件,现有噪声温度测量算法无法实现跨温区的噪声温度等效与校正,因此无法对低温器件进行噪声温度计算。
也就是说,低温低噪放在低温环境中工作,具有噪声系数远低于常温器件、受外界测量仪器影响大等特点;在常温环境中工作的测量仪器,跨温区测量低温器件,需进行噪声温度的等效与校正。
在本申请的一些方案中,可以设计并搭建一套适用于低温器件(低温低噪放)噪声温度测量的系统,以解决使用高噪声温度的常温测量仪器测量低噪声温度的低温器件的问题;以及可以研究常温仪器测量低温器件噪声温度与增益的新算法,解决低温器件噪声温度计算与修正问题。
可选地,作为一种可选的实施方式,如图1所示,本申请提供的低温器件的噪声温度与增益的测量装置包括第一衰减器101、待测射频器件102、噪声源103、输入射频电缆104、输出射频电缆105、预设射频电缆106以及分析装置107,
第一衰减器101,通过输入射频电缆104与噪声源103连接,以及与待测射频器件102的输入端连接,其中,输入射频电缆104的长度大于预设长度;
在本申请的一些实施例中,预设长度可以包括但不限于3米、5米等,本申请实施例对预设长度的具体数值不作限定。
分析装置107,通过预设射频电缆106及输出射频电缆105与待测射频器件102连接,以及通过电源控制线与噪声源103连接;
其中,待测射频器件102及第一衰减器101均处于第一预设温度的环境下,分析装置107、预设射频电缆106以及电源及控制线均处于第二预设温度的环境下,输入射频电缆104以及输出射频电缆105均处于第一预设温度与第二预设温度之间的过渡温度的环境下,第一预设温度低于第二预设温度。
可选地,作为一种可选的实施方式,测量装置还包括第二衰减器,分析装置通过预设射频电缆及输出射频电缆与待测射频器件连接包括:待测射频器件的输出端与第二衰减器连接,第二衰减器通过预设射频电缆及输出射频电缆与分析装置连接,其中,第二衰减器处于第一预设温度的环境下。
可选地,作为一种可选的实施方式,分析装置包括以下装置中的至少一种:噪声分析仪、频谱仪以及接收机;
待测射频器件可以是低温低噪放大器,也可以是其他低温射频器件。
在本申请的一些实施例中,噪声分析仪可以具备自动测量功能,可以将具有自动测量功能的噪声分析仪更换为频谱仪或普通接收机,采用手动开关噪声源模式。
在本申请的一些实施例中,可以调整第一衰减器和/或第二衰减器的值。
在本申请的一种具体的实施方式中,如图2所示,为一种低温器件的噪声温度与增益的测量装置的结构图,与传统常温环境下DUT的噪声温度测量不同,由于低温环境下DUT(也可以是低温低噪放CLNA)和常温环境下的测试仪器处于不同的温区,其噪声温度测量将更为复杂。本申请实施方式中,采用常温仪器对低温环境下低温低噪放的噪声温度进行测量,采用“噪声分析仪+噪声源+衰减+待测器件CLNA”模式,噪声分析仪和噪声源置于低温环境外,噪声源受噪声分析仪控制,通过射频电缆(信号从常温环境传入低温环境,需要有一定长度)、衰噪声源波动对精确测量的影响;待测器件CLNA输出端直连衰减器2,衰减器2起到输出匹配作用,输出信号通过衰减器2和输出射频电缆,从低温环境到常温环境,通过低温真空罐的转接头和常温射频电缆,再进入噪声分析仪(接收机)。衰减器1通常采用15dB至20dB衰减器,衰减器2一般采用3dB衰减器。
可选地,可以在噪声源之后设置衰减器,或者在输出射频电缆后设置待测射频器件。
可选地,作为一种可选的实施方式,如图3所示,本申请提供的低温器件的噪声温度与增益的测量方法,基于以上低温器件的噪声温度与增益的测量装置,包括:
S301,测量第一预设温度的环境下的待测射频器件以及第二预设温度的环境下的分析装置共同的第一噪声温度,其中,第一预设温度低于第二预设温度,分析装置通过预设射频电缆及输出射频电缆与待测射频器件连接,第一噪声温度为待测射频器件、输出射频线缆以及分析装置共同的等效噪声温度;
S302,基于第一噪声温度确定第一预设温度的环境下的待测射频器件的第二噪声温度,其中,第二噪声温度为待测射频器件实际上的等效噪声温度;
S303,基于系统测量增益值确定第一预设温度的环境下的待测射频器件的增益值。
可选地,作为一种可选的实施方式,基于第一噪声温度确定第一预设温度的环境下的待测射频器件的第二噪声温度包括:
基于衰减器的等效噪声温度、预设射频电缆的等效噪声温度、输出射频电缆的等效噪声温度以及分析装置的等效噪声温度,确定第一预设温度的环境下的待测射频器件的第二噪声温度,其中,衰减器与待测射频器件连接,噪声源通过输入射频电缆与待测射频器件连接。
在本申请的一些实施例中,衰减器可以包括但不限于第一衰减器和第二衰减器。
在本申请的一些实施例中,低温器件的噪声温度与增益的测量方法可以分为两个步骤,分别为测量与校正。
1、测量
第一噪声温度基于以下表达式计算得到:
其中,TDUT+Rec是第一噪声温度,TON是在噪声源处于开启状态时待测射频器件输入处的噪声温度,TOFF是在噪声源处于关闭状态时待测射频器件输入处的噪声温度,Y为分析装置的Y因子,由仪器测量给出,通常较为准确。Y≡Nhot/Ncold。
为噪声源在开启状态下的噪声温度,/>为噪声源在关闭状态下的噪声温度;Ti为输入互联的噪声温度,一般取恒温器真空腔外部温度Tamb和恒温器真空腔内部的温度Tcryo的中间值,即Ti=(Tamb+Tcryo)/2;Gi为输入互联的增益(衰减);Gatt为测试用衰减器增益(衰减)。
2、校正
第一步测量只考虑了待测射频器件输入端前的电缆和衰减器的影响,待测射频器件输出端后的影响还需要进行校正,用于校正的噪声温度的传递框图如图4所示,第二噪声温度基于以下表达式计算得到:
其中,是第二噪声温度,TDUT+Rec是第一噪声温度,Toatt是衰减器的等效噪声温度,Tocab为输出同轴电缆等效噪声温度(含常温和低温),Trec是分析装置的等效噪声温度。
其中,同轴电缆等效噪声温度Tocab由预设射频电缆的等效噪声温度以及输出射频电缆的等效噪声温度构成:
Tocab=Tcab3+Tcab2
其中,常温电缆等效噪声温度Tcab3计算公式为:
低温电缆等效噪声温度Tcab2计算公式为:
输出匹配衰减器等效噪声温度Toatt计算公式为:
其中,I为第二预设温度,J为第一预设温度。
在本申请的一些实施例中,基于系统测量增益值确定第一预设温度的环境下的待测射频器件的增益值包括:基于系统测量增益值、输入射频电缆的增益值、衰减器的增益值、预设射频电缆的增益值及输出射频电缆的增益值,确定第一预设温度的环境下的待测射频器件的增益值。
待测射频器件的增益值基于以下表达式计算得到:
其中,是待测射频器件的增益值,Gmeas为系统测量增益值,Gcab1为输入射频电缆的增益值,Gatt为衰减器的增益值,Gcab3为预设射频电缆的增益值,Gcab2为输出射频电缆的增益值。
若衰减器包括第一衰减器和第二衰减器,那么Gatt=Gatt1+Gatt2。
其中,Gatt1为第一衰减器的增益值;Gatt2为第二衰减器的增益值。由于射频电缆、衰减器对信号衰减,上式中Gcab1、Gatt1、Gcab3、Gcab2和Gatt2均为负值,Gmeas为正。
在本申请的上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述的部分,可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请的一种具体的实现方式中,可以采用以下测试设备搭建低温器件的噪声温度与增益的测量装置:
表1
如图5所示,对成都中微达信科技有限公司低温低噪放产品ZW-LNA2.4-9A进行测量,得到噪声温度和增益结果,噪声温度约为5K左右,增益优于35dB。
需要说明的是,对于前述的各实施例,为了简单描述,故将其都表述为一系列的动作组合,但是本领域技术人员应该知悉,本申请并不受所描述的动作顺序的限制,因为依据本申请,某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次,本领域技术人员也应该知悉,说明书中所描述的实施例均属于优选实施例,所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
以上的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低温器件的噪声温度与增益的测量装置,其特征在于,包括第一衰减器、待测射频器件、噪声源、输入射频电缆、输出射频电缆、预设射频电缆以及分析装置,
所述第一衰减器,通过所述输入射频电缆与所述噪声源连接,以及与所述待测射频器件的输入端连接,其中,所述输入射频电缆的长度大于预设长度;
分析装置,通过所述预设射频电缆及所述输出射频电缆与所述待测射频器件连接,以及通过电源控制线与所述噪声源连接;
其中,所述待测射频器件及所述第一衰减器均处于第一预设温度的环境下,,所述分析装置、所述预设射频电缆以及所述电源及控制线均处于第二预设温度的环境下,所述输入射频电缆以及所述输出射频电缆均处于所述第一预设温度与所述第二预设温度之间的过渡温度的环境下,所述第一预设温度低于所述第二预设温度。
2.根据权利要求1所述的测量装置,其特征在于,
所述测量装置还包括第二衰减器,所述分析装置通过所述预设射频电缆及所述输出射频电缆与所述待测射频器件连接包括:所述待测射频器件的输出端与所述第二衰减器连接,所述第二衰减器通过所述预设射频电缆及所述输出射频电缆与所述分析装置连接,其中,所述第二衰减器处于所述第一预设温度的环境下。
3.根据权利要求1所述的测量装置,其特征在于,
所述分析装置包括以下装置中的至少一种:噪声分析仪、频谱仪以及接收机;
所述待测射频器件是低温低噪放大器。
4.一种低温器件的噪声温度与增益的测量方法,基于如权利要求1至3中任一项所述的低温器件的噪声温度与增益的测量装置,其特征在于,包括:
测量第一预设温度的环境下的待测射频器件以及第二预设温度的环境下的分析装置共同的第一噪声温度,其中,所述第一预设温度低于所述第二预设温度,所述分析装置通过预设射频电缆及输出射频电缆与所述待测射频器件连接,所述第一噪声温度为所述待测射频器件、所述输出射频线缆以及所述分析装置共同的等效噪声温度;
基于所述第一噪声温度确定第一预设温度的环境下的待测射频器件的第二噪声温度,其中,所述第二噪声温度为所述待测射频器件实际上的等效噪声温度;
基于系统测量增益值确定所述第一预设温度的环境下的所述待测射频器件的增益值。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述基于所述第一噪声温度确定第一预设温度的环境下的待测射频器件的第二噪声温度包括:
基于衰减器的等效噪声温度、所述预设射频电缆的等效噪声温度、输出射频电缆的等效噪声温度以及所述分析装置的等效噪声温度,确定所述第一预设温度的环境下的所述待测射频器件的所述第二噪声温度,其中,所述衰减器与所述待测射频器件连接,噪声源通过输入射频电缆与所述待测射频器件连接。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,
所述第一噪声温度基于以下表达式计算得到:
其中,TDUT+Rec是所述第一噪声温度,TON是在噪声源处于开启状态时所述待测射频器件输入处的噪声温度,TOFF是在噪声源处于关闭状态时所述待测射频器件输入处的噪声温度,Y为所述分析装置的Y因子。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,
所述第二噪声温度基于以下表达式计算得到:
其中,是所述第二噪声温度,TDUT+Rec是所述第一噪声温度,Toatt是所述衰减器的等效噪声温度,Tocab是所述预设射频电缆的等效噪声温度以及所述输出射频电缆的等效噪声温度之和,Trec是所述分析装置的等效噪声温度。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述基于系统测量增益值确定所述第一预设温度的环境下的所述待测射频器件的增益值包括:
基于所述系统测量增益值、所述输入射频电缆的增益值、所述衰减器的增益值、所述预设射频电缆的增益值及所述输出射频电缆的增益值,确定所述第一预设温度的环境下的所述待测射频器件的增益值。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,
所述待测射频器件的增益值基于以下表达式计算得到:
其中,是所述待测射频器件的增益值,Gmeas为所述系统测量增益值,Gcab1为所述输入射频电缆的增益值,Gatt为所述衰减器的增益值,Gcab3为所述预设射频电缆的增益值,Gcab2为所述输出射频电缆的增益值。
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